气体腐蚀测试对安防用摄像头灰阶值的影响

王婷婷，许毅，李嘉

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

引言

安防类摄像头被广泛使用于各类公共和私人场所，其成像性能好坏至关重要。然而此类系统因长期高负荷上线使用，成像质量必然会随上线时间增长而下降。且部分设备存在恶劣环境下长期使用的情况。外界环境的长期老化效应会使其产生一定的图像质量偏差。另一方面，该类测试设备使用的环境光照条件差异较大，导致摄像头拍摄照片图像质量[1-6]差距较大。

目前，针对摄像机成像质量的测试一般有两种方法。一种是对摄像产品电信号的分析[7-9]。在标准测试条件下，通过对其信号频率、电平等电信号的分析得到其图像质量。该方法未完整考虑系统整体的影响，重点考察了系统内部光电转换元件（如CCD、CMOS）的质量，而未考察如镜头、外壳等其他关键零部件对系统整体成像质量的影响。另一种是对获得图像质量的光学分析[10-11]。在特定模式下拍摄一段视频。视频内容为稳定的标准视频。从该段视频中截取单帧图像。通过软件对单帧静态图像的开展光学性能分析，从而综合评估视频质量。上面两种方法均能反映在特定实验室环境下的产品光学性能表现。但存在两大问题。①未考虑强光、弱光、带光学补偿等复杂光照环境对产品成像质量的影响。②未考虑恶劣使用环境对产品成像质量的影响。

本文基于这种研究现状，聚焦图像质量的灰阶值，分析了气体腐蚀测试[12]前后典型光学成像系统的成像质量。同时考虑不同的光照条件对灰阶测试的影响。在分析方法上， 使用了透射式标板法和反射式标板法两种测试方法进行了灰阶值分析。且对两种测试结果进行了对比研究。

1 测试流程确定

本文主要不同光照条件下，气体腐蚀测试前后摄像系统灰阶值的变化。灰阶测试采用透射式和反射式两种标板，并评估了两种方法的结果自洽性。

1.1 灰阶测试

灰阶为光学成像系统对不同光谱特性或等效光谱特性灰度的分辨能力，是光学成像系统成像质量的重要指标。因其包含信息较少，相比颜色参数而言更容易分析。该参数是最早被用于成像质量分析的参数之一。灰阶测试需在暗室中进行，暗室内杂散光照度小于1lx。环境温度：（15～25）℃；相对湿度：（25～75）%；大气压力：（86～ 106）kPa。

为考察不同光照条件下摄像机的灰阶分辨能力，使用三种实验室模拟环境，分别模拟白天，傍晚和夜晚拍摄环境。夜晚环境测试时，摄像产品会进行自动补光。如摄像头未自带灯光/红外照明，则无需进行项目3测试。具体见表1。

表1 典型测试条件表

为更好的模拟实际情况，均选取具备防尘防水功能的户外用摄像头产品作为测试样品。设定最高分辨，白平衡、感光度为自动。其他参数设置按出厂/初始设置进行设定。将摄像头固定在合适的位置上，使镜头光轴和灰度标尺图垂直，标准图卡位于拍摄画面的中心位置并保证标准图卡画面占整个画面的80 %以上。所用光源箱的面光源的四角与中心的亮度均匀性不低于95 %。在各种典型光源环境下各拍摄10 s视频并保存。视频拍摄完成后，以随机抽取方式抽取单帧图像10帧进行光学分析。

测试使用了两种测试图卡，分别为透射式测试图卡和反射式测试图卡。使用工具软件进行数据读取，可分别得到两种图卡下的G和L值。

1.2 环境测试选择

根据GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等环境测试方法要求，模拟户外摄像头产品在使用时可能会经历的如高低温冲击、盐雾、气体腐蚀、紫外暴露等在内的多种严酷老化试验。通过对20个型号200个样品的多种环境试验前后样品光学性能参数分析发现，气体腐蚀测试对户外摄像头的光学性能退化影响较大。其也是安防类产品重点考察的一个老化测试项目。本文主要聚焦于研究气体腐蚀测试对产品光学性能的影响。本次测试为不通电状态下的环境模拟。按IEC 60068-2-60-2015方法4开展气体腐蚀测试，试验周期为 63天。

2 测试结果分析

本章节将对测试结果进行分析。环境测试前后，按表1要求开展三种环境模式下摄像机样品拍摄视频的获取。随机抓取视频的单帧图像，进行灰阶测试的分析。灰阶测试共有两种测试方案：透射式标板法和反射式标板法。下面对两种测试结果进行分析。

2.1 透射式标板分析

使用标准光源箱，将标准测试板紧贴固定于光源箱投光处。摄像机对准测试板进行拍摄，将测试板充满液晶取景器的整个画面。拍摄完成后，于工具软件中在各段中央部位选择6 464像素的面积测试其G值。图1为环境测试前使用透射式标板时灰阶测试视频的单帧图像，从图中可以直观看出不同光照环境对灰阶测试有一定影响。

图1 环境测试前不同光照条件下透射式标板灰阶测试实拍图

本次共测试11个位置点的G值，分别为Gi，其中i=1，2…11。考察相邻两个位置点G值的差值，并求其差值平方的和，计为M，该M值可有效评估相邻位置点的差异情况。M值越大，说明图像的灰阶分辨能力越好。

环境测试前后不同光照条件下灰阶值的G值见表2和表3，M值见图3。

从表2，表3，图2可知，光照条件越好，M值越大，图像的灰阶分辨率越高。经过气体腐蚀测试后，各光照条件下的M值均减小，灰阶分辨能力变差。光源条件越差，灰阶分辨能力下降越明显。在光照条件3下， M′值下降严重，已不能满足清晰分辨的要求。光照条件对灰阶测试的影响很大。

图2 不同光照条件下的环境测试前后的M值

表2 环境测试前不同光照条件下的G值

表3 环境测试后不同光照条件下的G值

2.2 反射式标板分析

图3为使用反射式标板前灰阶测试视频的单帧图像，从图中可以直观看出不同光照环境对反射式灰阶测试有一定影响。

图3 不同光照条件下反射式标板灰阶测试实拍图

反射式标板灰阶测试即为动态范围测试。对反射式灰阶测试图卡进行拍摄，拍摄后取单帧图像进行分析。在每个灰度条中截取面积不小于30 %的灰度块，读出所截取的每个灰度块的灰度值。根据公式或软件分析计算，可以判断从黑到白可分辨的灰阶的级数，用L值表示。图4和图5分别为环境测试前后L值分析图。表4为环境测试前后获得图像的灰阶值L。同时，分析灰阶测试的对比度，对比度为（最高亮度-最低亮度）/255，环境测试前后不同光源条件下图像的对比度见表5。一般而言，我们要求获得图像的对比度大于80 %。从表4，表5和图4，图5中可以看出，在弱光条件下，图像的分辨率和对比度较差，不符合标准要求。

表4 环境测试前后不同光照条件下的灰阶分辨率L

表5 环境测试前后不同光照条件下的对比度R

图4 环境测试前L值分析图

图5 环境测试后L值分析图

从上面的分析可知，不管是使用透射式标板还是反射式标板测试，均可发现，经过一定强度的气体腐蚀试验后，图像的灰阶分辨能力下降，图像质量下降。另外，良好的光照条件对良好图像质量的获得非常重要，良好的光照条件可有效提高图像质量。弱光条件对灰阶测试影响较大，在黑暗条件下，样品的灰阶测试分辨率一般不能满足行业标准要求。

3 总结

本文分析了气体腐蚀测试前后典型光学成像系统的成像质量。研究在不同光照条件下光学图像的灰阶值在环境试验前后的变化。采用了透射式和反射式两种不同的灰阶标板进行评价，全面分析在特定光学环境下（强光、弱光、带光学补偿）气体腐蚀测试对其灰阶值的影响。研究发现，两种评价方法很好自洽。在实施了气体腐蚀试验后，光学图像的灰阶分辨能力变差。光线对灰阶测试影响很大。弱光条件下，灰阶值明显降低。后续，我们将进一步研究其他类型的环境测试对光学成像系统成像质量的影响。